Nei campi di distribuzione dell'energia CC ad alta-precisione come lo stoccaggio dell'energia fotovoltaica, le pile di ricarica dei veicoli elettrici e i data center, i misuratori di potenza CC sono indispensabili "sentinelle dell'energia". La precisione e la stabilità di questi misuratori dipendono interamente da un indicatore fondamentale:-quanto accuratamente catturano e misurano la corrente che scorre attraverso il circuito.
Per molti ingegneri elettrici veterani, lo "shunt" è un metodo di campionamento della corrente molto familiare. Tuttavia, con il rapido sviluppo della tecnologia, stanno emergendo uno dopo l'altro nuovi termini come sensori ad effetto Hall, sensori fluxgate e persino TMR (magnetoresistivo a tunnel).
Sensori ad effetto Hall
Questi sensori utilizzano elementi semiconduttori Hall per misurare la corrente rilevando il campo magnetico generato attorno a un conduttore primario. Si tratta di un metodo di misurazione senza-contatto molto popolare, il cui più grande vantaggio è l'isolamento elettrico intrinseco, che elimina le preoccupazioni relative all'alta tensione che influisce direttamente sul chip di misurazione a valle, con conseguente sicurezza estremamente elevata.
Sensore di corrente Fluxgate
Si tratta di una tecnica che utilizza le caratteristiche di saturazione di un nucleo di ferro ad alta-permeabilità in un campo magnetico alternato per misurare indirettamente i campi magnetici deboli.
Le sue caratteristiche sono molto particolari: precisione estremamente elevata e deriva termica minima, che lo rendono spesso utilizzato nel rilevamento di CC ad alta-precisione, nel monitoraggio dell'isolamento elettrico e nella calibrazione metrologica. Tuttavia, i suoi svantaggi includono costi elevati e velocità di risposta relativamente lenta.
Sensori TMR, ecc.
TMR sta per Magnetoresistenza a Tunnel. In poche parole, si tratta di un sensore magnetico ad alta-precisione basato sulla magnetoelettronica. Il suo nucleo è l'uso di una struttura sandwich su scala nanometrica di "strato ferromagnetico/strato isolante non-magnetico/strato ferromagnetico" per ottenere una conversione precisa dei segnali magnetici in segnali elettrici attraverso lo spin degli elettroni.
Il "fossato" degli shunt: perché queste tecnologie non riescono a scuoterne il dominio?
Considerando l'alta-tecnologia e le potenti funzionalità dei sensori a effetto Hall e dei magneti fluxgate, perché lo shunt, che assomiglia a una barra o a un resistore di rame, è ancora lo shunt più comune e affidabile sul mercato? La risposta sta nei suoi quattro vantaggi principali:
Precisione e linearità di misurazione senza pari
Indipendentemente da come si evolvono le tecnologie periferiche, le leggi della fisica rimangono le più oneste. Il principio di funzionamento di uno shunt è la legge-di Ohm estremamente pura. Poiché si tratta essenzialmente di un resistore di precisione al manganese-rame con un coefficiente di temperatura estremamente basso, la sua curva di variazione della corrente di resistenza- è quasi una linea retta perfetta, che mostra una linearità eccezionale ed errori non lineari molto piccoli.
Al contrario, gli elementi Hall sono influenzati dal circuito magnetico, risultando in leggeri offset non lineari, mentre i magneti fluxgate mostrano un'isteresi di risposta. Come hanno sottolineato gli esperti del settore: se la precisione della misurazione della corrente è il criterio principale, allora una soluzione con resistore shunt abbinata a un trasmettitore millivolt di precisione è sempre la scelta migliore.
Massima efficienza in termini di costi- ed elevata affidabilità
Sebbene i sensori ad effetto Hall e fluxgate offrano una vasta gamma di funzionalità, richiedono nuclei e bobine di ferro complessi, nonché alimentatori secondari e intricati circuiti di compensazione. Soprattutto nel mercato dei contatori di energia CC, alcuni sensori a effetto Hall a circuito chiuso-ad alta precisione possono costare da cinque a dieci volte di più rispetto ai normali resistori di shunt.
Al contrario, gli shunt hanno una struttura estremamente semplice, sono dispositivi puramente passivi e funzionano in modo affidabile senza alimentazione aggiuntiva, il che li rende eccezionalmente robusti e durevoli. Nel mercato dei contatori di energia CC civili e delle stazioni di ricarica, sensibile ai costi-, il rapporto costo-efficacia-degli shunt rappresenta un vantaggio significativo che anche i sensori complessi faticano a superare.
Potente capacità oltre-gamma e adattabilità ultra-ampia alla temperatura
Negli ambienti industriali-del mondo reale, le correnti istantanee spesso superano di gran lunga i valori nominali. Le unità di shunt dimostrano una notevole resilienza a questo riguardo. Ad esempio, un'unità di shunt ad alta-precisione sul mercato può facilmente gestire sovracorrenti istantanee decine di volte superiori al suo valore nominale in un intervallo di temperature completo compreso tra -40 gradi e +105 gradi, senza compromettere la precisione del campionamento.
Al contrario, i sensori basati su principi magnetici sono altamente sensibili alla saturazione del nucleo o alla smagnetizzazione ad alta-temperatura quando la corrente è troppo elevata, con conseguenti distorsioni di misurazione o addirittura danni permanenti alle apparecchiature.
Resistenza estremamente forte alle interferenze elettromagnetiche
Sebbene i sensori magnetometrici a effetto Hall e fluxgate consentano misurazioni eleganti senza-contatto, in ambienti con forti campi magnetici e interferenze ad alta-frequenza (come in prossimità di inverter ad alta-potenza o sbarre collettrici ad alta-corrente), i campi magnetici vaganti possono facilmente infiltrarsi nel segnale di rilevamento, causando errori di misurazione imprevedibili.
Al contrario, i convertitori shunt sono dispositivi di campionamento in serie diretto a circuito puro. Sono fedeli solo alla caduta di tensione attraverso la propria resistenza e sono praticamente insensibili ai campi elettromagnetici vaganti esterni. Ciò li rende particolarmente affidabili negli armadi complessi di compatibilità elettromagnetica (EMC).